嵌入式编程之单片机的外围功能电路

在《嵌入式编程之单片机的基本构成、工作原理》中，我们讲解了单片机的基础知识。本文让我们来学习单片机必须具有的硬件电路（外围功能电路）。这样，下一次就可以将挑战一个实际单片机的运行了！

“动力”―电源电路

上期我们学习了单片机的基本构成和工作原理。想必大家对单片机的工作原理已经有了大致的了解。这次我们将举例说明单片机工作所必须的硬件电路（外围功能电路）。

我们将以瑞萨电子的新一代产品，通用型单片机“RL78族（RL78/G14）”为例进行说明。

与迄今为止所学的各种电路相同，单片机的工作也需要电源。因此，单片机的外部都连接有象电池等电源部分。

请看图1，是“RL78族（RL78/G14）”的引脚配置，该产品有64个引脚。电源有2个引脚是13/14号 （VSS/EVSS0）和15/16号 （VDD/EVDD0），

13号引脚（VSS）和14号引脚 （EVSS0）连接GND

15号引脚VDD和16号引脚 （EVDD0）连接电源正极

参阅“RL78族（RL78/G14）”数据手册（或硬件手册），您会发现“电源电圧VDD = 1.6～5.5 V”。这是指当电源电压处于1.6V到5.5V之间时，可以保证单片机的正常工作。这个电压范围称为工作电源电压。在有些单片机数据手册上把这个范围称为推荐工作电压范围。

图1：“RL78族（RL78/G14）”（64引脚）的引脚连接图

图2是 “RL78族（RL78/G14）”的电源引脚连接的一个例子。

与15号引脚连接的C1称为旁路电容。可以防止因瞬间大电流引起的电源电压下降，而导致的单片机的误动作。通常选择0.01μF～0.1μF的陶瓷电容作为旁路电容。

“RL78/G14”的内部电路工作电圧是通过内部电压调节器调节电源电压得到的，内部电路的工作电压是1.8或2.1V。为了保证内部电压调节器的稳定性，在12号引脚上也连接了电容C2。

图2：“RL78族（RL78/G14）”（64引脚）的电源电路连接实例

“总指挥”―振荡电路

正如数字电路入门③中所讲的那样，时序电路是按时钟信号（CK）的上升沿（信号从L→H的变化）或下降沿（信号从H→L的变化）同步工作的。单片机是由时序电路构成的，所以，要在外部连接一个振荡电路提供时钟信号。象这样从单片机的外部输入的时钟信号称为“外部时钟信号”。

图3是单片机（RL78/G14）接连一个振荡电路的例子。晶体振荡器被连接在X1和X2之间。

从图上可以看出一个外部时钟信号可以驱动单片机内部中的2个时钟振荡器。

主时钟振荡器主要用作CPU的工作时钟

子时钟振荡器主要用作外围电路和实时时钟的工作时钟

图3：振荡电路的作用

在内部外围功能十分强大的“RL78族（RL78/G14）”上内部有频率偏差仅为1％的高精度振荡电路。因此，无需从外部提供时钟信号。这种单片机上内部的时钟产生电路称为“内部振荡器”。因为不需要外部振荡电路，减少了设计工序，降低了成本。

类似这样只要备有“内部振荡器”，大家可能认为就可以“无需从外部提供时钟信号”。但实际上在电子手表中，通常使用频率几乎不随温度而变化的、更加精确的晶体振荡器。

「闹钟」―复位电路

刚刚接通电源的单片机内部处于不稳定的状态，CPU无法正常运转。因此，就需要进行单片机状态初始化，这就叫做复位。单片机带有复位信号输入引脚，可以将这个信号调至低电平状态后让单片机复位。也就是说通过输入复位信号来彻底叫醒单片机进入工作状态。

接下来讲解一下复位的时序（图4）。只有在向单片机提供稳定的时钟信号和电源的状态下才能实现复位，同时需将复位信号调至低电平。为了实现这种状态，需要将相比电源上电稍迟一步上电的电路与复位输入引脚相连接。这种电路在电源上电后通过电阻电流慢慢流向电容，电压缓缓上升。因此，电源上电后经过一段时间可以形成解除复位的电 路。这种外部电路称为“上电复位电路”。

图4：简易复位电路及其波形

如上图4所示，上电复位电路左侧的电路称为“手动按钮复位电路”。这是通过手动按下按钮后让单片机进入初始化状态的电路。

普通单片机上复位信号必须在一定时间内保持低电平。具体时间记载在硬件手册和数据手册上。必须根据这个时间的长短来确定电阻R和电容C。

而“RL78族（RL78/G14）”采用的是内部型上电复位电路。因此，只要提供超过工作电压的电源，就可以叫醒单片机进入工作状态。真是太方便了！

CPU的复位操作

通过复位操作，可以使程序计数器PC回到初始值，PC中保存的是CPU将要执行的指令地址。程序计数器PC的初始值是应用程序的头地址。单片机开始运行应用程序的方式有“固定地址开始方式”和“向量方式”。在设计单片机时，决定要使用的方式。

固定地址开始方式是指从固定地址开始执行指令的方式。不同的单片机具体的地址也有所区别。如果固定地址是0，那么，就从0地址开始执行程序。

向量方式是指从ROM的固定地址中，读取要执行指令的地址信息。这种ROM上的固定地址称为复位向量。操作过程是先取读复位向量的地址，然后再将该地址存入程序计数器PC。这种看起来比较繁琐，但是却具有可以自由更改初始执行指令地址的优点。